一种具有抗ESD功能的GaNHEMT器件

一种具有抗esd功能的gan hemt器件
技术领域
1.本发明属于功率半导体技术领域，具体是涉及一种具有抗esd功能的gan hemt器件。


背景技术：

2.gan hemt高电子迁移率晶体管器件技术趋于成熟并逐步向应用市场推广，无论gan hemt分立器件还是集成器件，其静电放电(esd)防护都不可或缺。但gan hemt器件内部不存在辅助静电泄放的pn结，同时gan hemt器件普遍采用偏栅结构，造成hemt器件栅源两端esd失效电压远远小于栅漏两端esd失效电压，因此与功率器件兼容的esd防护结构也成为市场应用的重要发力点。esd结构泄放通路的开启电压应略小于栅极击穿电压，这样既能起到保护栅极的作用也能栅极最大额定电压。此外，esd结构需要有足够的面积才能保证器件esd的泄放能力。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明基于gan级联二极管，提出一种具有抗esd功能的gan hemt器件。
4.为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
5.一种具有抗esd功能的gan hemt器件，包括纵向排列的gan hemt器件本体和gan级联二极管，前者实现功率器件功能，后者实现静电保护功能，还包括沿纵向方向将gan hemt器件有源区和gan级联二极管有源区之间隔离的隔离区11，所述gan hemt器件和所述gan级联二极管的电极之间通过互联金属实现电连接；
6.所述的gan hemt器件：沿器件垂直方向，自下而上依次层叠有：衬底1、上表面具有凹槽结构的缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及介质钝化层6，表面为凹槽形状；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极5、栅极7和漏极8，其中栅极7位于凹槽结构内部分，底部和侧壁与介质层6接触，栅极7覆盖凹槽两边的介质钝化层6上而形成栅场板结构；源极5和漏极8均沿器件垂直方向贯穿介质钝化层6，延伸到势垒层4中，下表面与势垒层4形成欧姆接触；
7.所述的gan级联二极管：沿器件垂直方向包括自下而上依次层叠设置衬底1、上表面具有多个凹槽的缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及介质层6，表面形成为凹槽形状；沿器件横向方向，器件两端表面分别是阴极9、浮空栅金属fg和阳极10，在所述阴极9和阳极之间设置2个及以上浮空栅金属fg；其中阴极9沿器件垂直方向贯穿介质层6，延伸到势垒层4中，下表面与势垒层4形成欧姆接触；其中浮空栅金属fg和阳极10位于凹槽结构内，浮空栅金属fg和阳极10靠近阴极一侧的底部和侧壁与介质层6接触，远离阴极5一侧的底部和侧壁穿过介质层6，与势垒层4形成欧姆接触。
8.特别的，gan hemt器件的栅极7与gan级联二极管的阳极10或阴极9相连，gan hemt器件的源极5与gan级联二极管的阴极9或阳极10相连。
9.器件工作原理：具有抗esd功能的gan hemt器件其凹槽形状的沟道层3和势垒层4侧壁为非极性面或者极性很弱，所以沟道层3和势垒层4异质结界面二维电子气无法形成或浓度极低，形成增强型器件。器件导通机理为当凹槽结构中的金属电极施加正向电压使得沟道层3或势垒层4内电子聚集获得导通。具体地，当gan hemt器件栅极施加电压达到esd保护电压时，串联二极管的浮空栅金属fg和阳极10靠近阴极一侧的底部和侧壁电子聚集，形成静电泄放通道，使栅极电压不再上升，从而保护栅极不被高压击穿。
10.本发明的有益效果是，基于gan hemt与级联二极管具有高阈值、高耐压的特点，本发明可有效提高器件抗esd电压等级，增强器件鲁棒性，提升器件可靠性。绝缘栅gan hemt器件的栅击穿电压通常可达15v以上，与传统p-gan栅增强型hemt的低阈值相比，本发明中级联二极管可大大缩小面积。栅源esd静电泄放路径的级联二极管与gan hemt相同工艺步骤，易于实现集成。
附图说明
11.图1是实施例1的二维俯视示意图；
12.图2是gan hemt器件的二维结构示意图；
13.图3是gan级联二极管的二维结构示意图；
14.图4是实施例1的等效电路示意图；
15.图5是实施例2的二维俯视示意图；
16.图6是实施例2的等效电路示意图；
17.图7是实施例3的等效电路示意图；
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
19.实施例1
20.如图1为应用结构俯视图，下方从一侧到另一侧依次为gan hemt器件的源极5、栅极7、介质层6、漏极8；俯视图上方从一侧到另一侧依次为gan级联二极管的阴极9、浮空金属fg和阳极10；俯视图中部从一侧到另一侧依次为互联金属12-1、隔离区11和互联金属12-2，其中隔离区11位于gan hemt器件与gan级联二极管之间通过隔离工艺形成高阻区11，隔断两者有源区之间的电连接，将俯视图分为上下两部分，互联金属12-1联接gan hemt器件源极5和gan级联二极管阴极9，互联金属12-2联接gan hemt器件栅极7和gan级联二极管阳极10；其等效电路示意图如图4所示；
21.如图2所示是沿图1中aa’方向的剖视图，为gan hemt器件，沿器件垂直方向，自下而上依次层叠有：衬底1、上表面具有凹槽结构的缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及介质钝化层6，表面为凹槽形状；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极5、栅极7和漏极8，其中栅极7位于凹槽结构内部分，底部和侧壁与介质层6接触，栅极7覆盖凹槽两边的介质钝化层6上而形成栅场板结构；源极5和漏极8均沿器件垂直方向贯穿介质钝化层6，延伸到势垒层4中，下表面与势垒层4形成欧姆接触；
22.如图3是沿图1中bb’方向的剖视图，为gan级联二极管，沿器件垂直方向包括自下而上依次层叠设置衬底1、上表面具有多个凹槽的缓冲层2、gan沟道层3、势垒层4以及介质
层6，表面为凹槽形状；沿器件横向方向，器件两端表面分别是阴极9、浮空栅金属fg和阳极10，在所述阴极9和阳极之间设置2个及以上浮空栅金属fg；其中阴极9沿器件垂直方向贯穿介质层6，延伸到势垒层4中，下表面与势垒层4形成欧姆接触；其中浮空栅金属fg和阳极10位于凹槽结构内，浮空栅金属fg和阳极10靠近阴极一侧的底部和侧壁与介质层6接触，远离阴极5一侧的底部和侧壁穿过介质层6，与势垒层4形成欧姆接触。
23.器件工作原理：具有抗esd功能的gan hemt器件其凹槽形状的沟道层3和势垒层4侧壁为非极性面或者极性很弱，所以沟道层3和势垒层4异质结界面二维电子气无法形成或浓度极低。器件导通机理为当凹槽结构中的金属电极施加正向电压使得沟道层3或势垒层4内电子聚集获得导通。具体地，当gan hemt器件栅极施加电压达到esd保护电压时，串联二极管的浮空栅金属fg和阳极10靠近阴极一侧的底部和侧壁电子聚集，形成静电泄放通道，使栅极电压不再上升，从而保护栅极不被高压击穿。同时串联二极管导通电压高于gan hemt器件阈值，保证gan hemt器件正常工作。
24.本发明的有益效果是，基于gan hemt与级联二极管具有高阈值、高耐压的特点，本发明可有效提高器件抗esd电压等级，增强器件鲁棒性，提升器件可靠性。绝缘栅gan hemt器件的栅击穿电压通常可达15v以上，与传统p-gan栅增强型低阈值相比只需很少的级联二极管级联其导通电压便可达到hemt器件的栅源esd所需的电压要求，大大降低了该结构面积。栅源esd静电泄放路径的级联二极管与gan hemt相同工艺步骤，易于实现集成。
25.实施例2
26.本例与实施例1的区别是，本例的gan级联二极管同样连接于gan hemt器件本体的源极和栅极之间，但是互连金属12-1一端连接源极5，另一端连接阳极10，互连金属12-2将栅极7和阴极9连通，如图5为应用结构俯视图，其等效电路示意图如图6所示。图2和图3分别是沿图5中aa’和bb’方向的剖视图。相比于实施例1，本例的优点是通过优化级联二极管数量及hemt器件的阈值电压，能够获得源极抗esd能力。具体地，当gan hemt器件源极施加电压达到esd保护电压时，串联二极管形成静电泄放通道，保护源栅极之间不被高压击穿。
27.实施例3
28.本例与实施例1的区别是，本例的gan hemt器件本体的源极和栅极之间并联连接多个gan级联二极管，其等效电路示意图如图7所示。相比于实施例1，本例的优点是多个gan级联二极管并联增加静电泄放路径，降低静电泄放路径电阻，提高泄放电流能力，降低静电泄放时间并减小esd损耗。

技术特征：
1.一种具有抗esd功能的gan hemt器件，包括纵向排列的gan hemt器件本体和gan级联二极管，前者实现功率器件功能，后者实现静电保护功能，还包括沿纵向方向将gan hemt器件有源区和gan级联二极管有源区之间隔离的隔离区(11)，所述gan hemt器件和所述gan级联二极管的电极之间通过互联金属实现电连接；所述的gan hemt器件：沿器件垂直方向，自下而上依次层叠设置衬底(1)、上表面具有凹槽结构的缓冲层(2)、gan沟道层(3)、势垒层(4)以及介质钝化层(6)，表面形成凹槽形状；沿器件横向方向，器件表面从一侧到另一侧依次具有源极(5)、栅极(7)和漏极(8)，其中栅极(7)位于凹槽结构内部分，底部和侧壁与介质层(6)接触，栅极(7)覆盖在介质钝化层(6)上的部分为栅场板结构；源极(5)和漏极(8)均沿器件垂直方向贯穿介质钝化层(6)，延伸到势垒层(4)中，下表面与势垒层(4)形成欧姆接触；所述的gan级联二极管：沿器件垂直方向包括自下而上依次层叠设置衬底(1)、上表面具有多个凹槽的缓冲层(2)、gan沟道层(3)、势垒层(4)以及介质层(6)，表面为凹槽形状；沿器件横向方向，器件两端表面分别是阴极(9)和阳极(10)，在所述阴极9和阳极之间设置2个及以上浮空栅金属fg；阴极(9)沿器件垂直方向贯穿介质层(6)，延伸到势垒层(4)中，下表面与势垒层(4)形成欧姆接触；浮空栅金属fg和阳极(10)位于凹槽结构内，浮空栅金属fg和阳极(10)靠近阴极一侧的底部和侧壁与介质层(6)接触，远离阴极(5)一侧的底部和侧壁穿过介质层(6)，与势垒层(4)形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述的一种具有抗esd功能的gan hemt器件，其特征在于，所述源极(5)和阴极(9)通过互连金属(12-1)连接所述栅极(7)和阳极(10)通过互连金属(12-2)连接。3.根据权利要求1所述的一种具有抗esd功能的gan hemt器件，其特征在于，所述源极(5)和阳极(9)通过互连金属(12-1)连接，所述栅极(7)和阴极(9)通过互连金属(12-2)连接。4.如权利要求1-2任一项所述的具有抗esd功能的gan hemt器件，其特征在于，所述gan hemt器件源极(5)和栅极(7)之间并联了多个gan级联二极管。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，具体是涉及一种具有抗ESD功能的GaN HEMT器件。基于GaN HEMT与级联二极管具有高阈值、高耐压的特点，当GaN HEMT器件栅极施加电压达到ESD触发电压时，串联二极管导通形成静电泄放通道，使功率器件栅极电压不再上升，从而保护功率器件栅极不被高压击穿。本发明可有效提高器件抗ESD电压等级，增强器件鲁棒性，提升器件可靠性。栅源ESD静电泄放路径的级联二极管与GaN HEMT相同工艺步骤，易于实现集成。易于实现集成。易于实现集成。


技术研发人员：张鹏飞 赵智家 罗小蓉 谢欣桐 魏杰
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.08.24
技术公布日：2023/10/15